Le choix de la configuration Star’Ex

1 : De quoi il est question ?

Vous disposez d’une lunette ou d’un télescope  avec des caractéristiques  propres, et vous vous demandez quelle est la meilleure disposition pour  utiliser le spectrographe Star’Ex avec cet équipement.

La question est parfaitement légitime et logique, et ce d’autant plus que Star’Ex offre quelques variantes possibles, qui peuvent compliquer le choix. Comment s’y retrouver, comment ne pas se tromper, comment faire au mieux ?

Mais avant tout, il faut se poser à soi-même une autre question, qui détermine toute la suite : quelles observations veut-on réaliser avec Star’Ex à l’extrémité de sa lunette ou de son télescope ?

Vous la savez, votre équipement sera bien différent si vos goûts vous portent vers la photographie de grand-champ d’étoiles ou s’il faut révéler de fins détails à la surface des planètes. Il en est de même en spectrographie : voulez-vous faire des observations d’objets faibles et lointains, ce qui va nécessité d’employer le spectrographe avec une basse résolution spectrale, ou voulez-vous voir un maximum de détails dans les spectres, ce qui obliger à privilégier la haute résolution spectrale et ce cantonner à des objets relativement brillants.

Comme pour toutes les observations astronomiques, l’instrument universel, qui fait tout très bien, n’existe pas. Il faut trancher et donc savoir renoncer pour mieux avancer.

Pour vous aider, je vais définir à grand trait deux catégories de performances, toutes deux abordables par Star’Ex (c’est l’un des intérêts du projet), mais pas simultanément :

- la spectrographie dite à « basse résolution spectrale », caractérisée par un pouvoir de résolution R inférieure à 1000

- la spectrographie à « haute résolution spectrale « » , caractérisée par un pouvoir de résolution R supérieur à 10000.

Je ne fais pas dans la nuance, je ne considère pas les résolutions intermédiaires !

Mais qu’est-ce au juste ce fameux  pouvoir de résolution spectral R ? Il s’agit d’un paramètre, sans dimension, qui relie la longueur d’onde λ et la finesse des détails du spectre Δλ que l’on peut observer à cette longueur d’onde, au travers de la formule :

Supposons que l’on observe le milieu du spectre photovisuel (la couleur verte de l’arc-en-ciel). La longueur d’onde correspondante est λ = 5500 angströms, on peut aussi écrite 5500 A.

Un pouvoir de résolution de R = 1000 (basse résolution donc), permettra de séparer des détails de Δλ = λ / R = 5500 / 1000 = 5;5 A.

Un pouvoir de résolution de R = 10000 (haute résolution), permettra de séparer des détails de R = 5500 / 10000 = 0,55 A

C’est le même écart entre un télescope équipé pour résoudre des détails de 10 secondes d’arc sur le ciel (spécialisé dans l’imagerie du ciel profond) et un autre capable de résoudre des détails de 1 seconde d’arc sur le ciel (spécialisé dans l’imagerie planétaire). Ce n’est pas du tout la même chose, même si les deux sujets ont de l’intérêt. Il faut trancher.

2 : Basse résolution ou haute résolution

En spectrographie, la basse résolution c’est ceci (avec Star’Ex, comme il se doit !)  :

C’est couvrir un large domaine spectral, c’est surveiller l’activité d’étoiles faibles éruptives, c’est observer le spectre des comètes, c’est observer le noyau de galaxies actives, c’est mesurer le décalage Doppler de quasars aux confins de l’Univers de magnitude 17 ou plus faibles encore, etc.

En spectrographie, la haute résolution c’est ceci (avec Star’Ex, comme il se doit !)  :

C’est scruter à loupe les détails les plus subtils du spectre des étoiles, c’est suivre d’heure en heure l’explosion d’un nova, c’est suivre la rotation des nuages de gaz autour des étoiles, c’est détailler la chimie des nébuleuses, c’est construire l’image de la surface d’une étoile par les techniques Doppler, etc.

Le choix est une question de goût ! Je ne vais pas trancher. Dans ce qui suit, je vais vous présenter quelques configurations types qui vous permettent de réaliser l’une ou l’autre de ces catégories d’observations avec Star’Ex.

3 : Une question de réseau et de fente

Vous le savez sûrement si vous avez lu quelques livres ou le site Sol’Ex, la densité de gravure du réseau de diffraction qui équipe un spectrographe, tel que Star’Ex, détermine le pouvoir dispersif de l’appareil.  A la basse résolution est associée un réseau à faible densité de traits, à la haute résolution est associée à l’inverse un réseau possédant bien plus traits gravés par millimètre.

Pour la suite, et toujours pour aller au plus direct, je considère que :

- pour la basse résolution spectrale, Star’Ex doit être équipé d’un réseau de 300 traits/mm. Ce réseau ne fait pas partie du kit de base de Sol’Ex. Vous devez l’acheter, par exemple auprès de la société Shelyak, ou directement auprès de Thorlabs (référence GR25-305, il vous en coûtera vers 115 euros avec le port).

- pour la haute résolution spectrale, Star’Ex doit être équipé d’un réseau de 2400 traits/mm. Ce réseau fait partie du kit de base, c’est lui qui sert à observer le Soleil, il n’y a pas d’investissement supplémentaire à faire sur ce point.

La question de la fente est délicate. Ça largeur est  un paramètre, sans l’air d’y toucher, qui impacte fortement la résolution spectrale.

Le pouvoir de résolution est d’autant plus élevé que la fente est fine, mais à l’inverse, pour un télescope donné, plus la fente est fine, moins de lumière entre dans le spectrographe et imprime le détecteur. Et comme il ne sert à rien d’avoir une haute résolution spectrale si vous ne détectez rien… Il y a ici un compromis à faire. La largeur de fente à adopter est en relation avec la turbulence atmosphérique qui caractérise votre site d’observation et la précision de guidage de votre lunette/télescope.

Par expérience, considérer une largeur de fente représentant 3,0 secondes d’arc sur le ciel est une très bonne base en spectrographie amateur, afin d’assurer le meilleur compromis entre la résolution spectrale et la luminosité de l’appareil. Concrètement, cela signifie que si la longueur focale de votre lunette en millimètres est F, alors la largeur de la fente w en millimètres à adopter est approximativement donnée par la formule :

w  = F / 68750

Par exemple, supposons que vous voulez utiliser Star’Ex à l’arrière d’une lunette astronomique faisant 500 mm de longueur focale. On pose F = 500 mm et on trouve alors w = 0,087 mm = 8,7 microns. Ce résultat est fort proche de la largeur de la fente fournie avec le kit de base de Sol’Ex, soit 10 microns.  Il n ‘y a rien à acheter de plus.

Supposons à présent une lunette ou un télescope de 1000 mm. Dans ce cas, il faut une largeur minimale de fente de w = 15 microns. Il faut viser la largeur standard juste au-dessus chez Shelyak. Cette société peut fournir une fente de 23 microns, tout à faite compatible avec Star’Ex, mais qui est malheureusement très chère, environ 320 euros (voir ici). Il est de loin préférable d’opter pour un dispositif à fentes multiples, disponible aussi chez Shelyak, avec l’avantage d’être moins cher (216 euros), et d’offrir 4 largeurs sur le même support : 15/19/23/35 microns (voir ici). C’est très pratique, car jusqu’à 2 mètres de focale, on peut utiliser la largeur de 23 microns, puis adopter la largeur de 35 microns jusqu’à 3 mètres de focale environ. J’explique dans la partie «Etloies » du site Sol’Ex comment fabriquer un support pour cette fente multiple.

Prenons à présent quelques modèles de lunettes et télescopes types, et voyons comment adapter Star’Ex suivant que l’on veut pratiquer de la basse ou de la haute résolution.

4 : Je possède une lunette de 65 mm de diamètre et de 450 mm de focale, que faire ?

Utilisation en basse résolution 

Cela va mal commencer….

D’abord une constatation générale : quel que soit la configuration que l’on utilise, l’observation à basse résolution spectrale est toujours plus difficile à pratiquer que l’observation à haute résolution. La chose peut paraître contre-intuitive, mais elle se vérifie systématiquement avec les  nombreuses années de pratique. Il serait un peu long d’expliquer la raison, mais disons que cela tient au conditionnement du spectre (sous- échantillonnage), au problème de l’étalonner et à la manière de le traiter. Ce constat est d’autant plus marqué que l’on travaille avec un petit instrument. 

Un autre aspect du problème à considérer est la forte aberration chromatique résiduelle dont sont affectées la plupart des lunettes astronomiques, même les apochromatiques (dans une moindre mesure que les modèles standard, mais il ne faut pas rêver, sur bien des modèles il faut prendre avec prudence les propos des constructeurs). Ceci est parfaitement incompatible avec l’obtention de spectres de bonne qualité sur un large domaine spectral, ce qui est pourtant le propre de la basse résolution.

Avec une lunette de 65 mm la sentence est claire : je m’interdis de proposer l’usage de Sol’Ex en basse résolution spectrale (et de tout autre spectrographe digne de ce nom au passage). D’une manière générale, il est problématique de réaliser des observations d’une qualité suffisante pour prendre un réel plaisir en basse résolution avec un diamètre de tube optique inférieur à 80 mm,. Rien n’interdit d’essayer, mais attention au risque de découragement.

Utilisation en haute résolution

C’est une autre affaire…

D’abord, on va voir que l’investissement technique et financier est minimal pour passer de Sol’Ex à Star’Ex  dans cette situation : même réseau de 2400 traits/mm, fente de 10 microns, combinaison optique standard 80 x 125 (focale de 80 mm pour le collimateur, focale de 125 mm pour le l’objectif de caméra). Seul est ajouté le module de guidage, mais vous avez dans un coin le nécessaire optique, qui fait aujourd’hui parti du kit standard de Sol’Ex et cela demande une journée de travail pour la réalisation. Mais Il ne faut pas se mentir, il y a aussi un surcoût si vous devez investir dans une caméra de guidage supplémentaire, ou encore dans un « focuser » hélicoïdal supplémentaire (bien pratique), mais ceci est commun a toutes les solutions « spectrographie stellaire ».

Ensuite, coté performances, ne comptez par observer avec une lunette de 65 mm des étoiles plus faibles que celles visibles à l’oeil nu, et la magnitude 6 sera difficile. Mais cela laisse le choix d’un nombre considérable d’objet à viser, d’une immense diversité, ce qui est excellent pour découvrir la spectrographie astronomique. Surtout, le pouvoir de résolution atteint est énorme, et même hors norme en spectrographie amateur, digne de ce qui se fait dans les meilleurs observatoires professionnels sur ce point en prenant un peu de précautions. Il est compris en R=25000 et R=28000 typiquement autour de la raie H-alpha, en moyenne. Outre que Star’Ex produit de bon spectres, cela ne tient pas à de la magie, mais d’un principe fondamental de l’instrumentation en spectroscopie : plus le télescope utilisé est de petit diamètre, plus le pouvoir de résolution augmente (voir la partie Théorie du site Sol’ex). C’est du reste ce principe qui fait aussi qu’il n’est pas opportun de travailler en basse résolution spectrale avec une petite lunette.

Voici des vues montrant Sol’Ex, pardon, Star’Ex, au foyer d’une lunette de 65 mm de diamètre et de 450 mm de longueur focale :

On note l’emploi d’une caméra refroidie monochrome (ici une ASI183MM pro). C’est de mon point de vue une nécessité (voir plus loin). Placez-vous dans le contexte de l’imagerie du Ciel Profond en la matière.

Voici le tracé de rayons correspondant, avec cette lunette de 65 mm de focale de 450 mm, et donc ouverte à f/6,5 :

On reconnaît la disposition optique utilisée pour l’observation solaire, pas de surprise. Dans le plan d’incidence (le plan de la figure), le trajet de certains rayons déborde de la surface du réseau. Cela sont perdu, ils n’arrivent jamais dans le plan du détecteur. Ce phénomène de vignettage optique n’est pas très gênant en observation solaire, car la lumière abonde, mais il peut le devenir lorsqu’il faut détecter des photons arrivant avec parcimonie d’une lointaine étoile. En réalité, le problème est moins grave qu’il n’y paraît, car il faut à la fois raisonner en termes de surface optique collectrice, et considérer que le vignettage est nul dans le plan perpendiculaire à la figure. Il apparaît en fin de compte que la perte de photons occasionnée par l’ouverture du faisceau à f/6,5 ne s’élèvent qu’à 15% (ce qui représente environ 0,2 magnitude). On va pouvoir survivre à ce déficit.

Le résultat est même meilleur si vous utilisez par exemple l’excellente Skywatcher 80ED de 80 mm de diamètre et de 600 mm de focale, en raison de son ouverture de f/7,5 et une capacités à montrer le spectre des étoiles un peu plus faibles grâce à la plus grande surface de l’objectif.

Si votre lunette est ouverte à f/5,6 par exemple, vous aller perdre un peu plus de flux, mais si vous n’avez pas d’autres choix, allez-y ! Vous ferez des spectres corrects. Ne cherchez pas obligatoirement à utiliser une lentille de Barlow pour allonger la focale avec ce type de petit instrument. L’ensemble s’alourdit en effet, des aberrations optiques peuvent apparaître et au final, vous ne gagnez pas au change. Moins il y a de verre dans un système optique, mieux on se porte, c’est une personne du milieu qui vous le dit !

L’emploi d’une lunette EVOGUIDE 50/242 mm est à l’inverse plus délicat. Sur le plan mécanique d’abord, car le tirage oblige à adopter une lentille de Barlow pour accroître celui-ci, et régler simultanément le problème d’une luminosité trop élevée, qui augmente le vignettage. Autres soucis, la fente devient trop large par rapport à la finesse des images au foyer, ce qui dégrade la qualité spectrographique de manière générale.  Bref, je ne recommande pas, c’est la vérité des contraintes techniques.

Pour résumer, la configuration qui vient d’être décrite est fort loin d’être un gadget, d’un jouet, malgré la petitesse de l’instrument. Pour un petit budget il est possible de faire de la belle astronomie en s’initiant à l’astrophysique, et même faire de la Science si ce mot ne vous fait pas trop peur.  

4 : Je possède un télescope de 150 à 250 mm de diamètre ouvert à f/5, que faire ?

Utilisation en basse résolution 

Une ouverture de télescope de f/5 (un Newton) est problématique avec la configuration de base de Sol’Ex (réseau de 2400 traits/mm, configuration 80 mm x 125 mm) en raison du sévère du vignettage optique interne,  qui devient ici très sévère. Il faut ajouter la présence de l’image de l’ombre du miroir secondaire qui se projette au centre de la surface du réseau, ce qui réduit encore plus la surface optique collectrice du télescope. La perte de flux est telle que l’on ne peut considérer cette solution comme raisonnable. Une modification sérieuse est a apporté à Sol’Ex/Star’Ex. La voici sous la forme d’un schéma optique :

Dans l’exemple illustré, je prends appui sur un télescope très lumineux (f/4) mais cela fonctionne d’autant mieux avec un télescope ouvert à f/5, bien entendu.

Le réseau de 2400 traits/mm est remplacé par un réseau de 300 traits/mm, ce qu’exige la basse résolution spectrale.

Ensuite, l’objectif de caméra de base, de 125 mm de focale est remplacé par un objectif de 80 mm de focale. En fait le même modèle que celui utilisé pour la fonction de collimation (la formule optique Star’Ex a été calculée optimalement pour cette combinaison). Il faut donc prévoir l’achat correspondant auprès de la société Shelyak, qui propose cette option.

On remarque un certain vignettage aux longueurs d’onde extrêmes (dans le rouge et dans le bleu), provoqué par l’obligation mécanique d’éloigner l’objectif de caméra du réseau (on utilise ici un « focuser » hélicoïdal, vivement recommandé). Le vignettage optique n’est cependant pas dramatique et il est donc possible d’exploiter Star’Ex dans cette configuration sur un domaine spectral assez large (en dessous de 3850 A, le chromatisme, puis l’absorption des verres optiques, rendent l’exploitation difficile). 

Fait notable, cette configuration optique se révèle fort satisfaisante pour étudier la partie infrarouge du spectre :

Observation du spectre infrarouge de la nova Cas 2021, avec Star’Ex en configuration 80x80 et un réseau de 300 t/mm. La détection d’une raie de la série de Pashen en émission plus loin que 1 micron de longueur d’onde est une performance.

La description de l’adaptation « 80 x 80 » , assez simple. Elle est décrite au paragraphe 4.4 de la section « Etoiles » du site Sol’Ex. Notez encore, qu’avec une focale de 1000 à 1250 mm, vous pouvez hésiter entre une fente de 19 à 23 microns (cela dépend du site d’observasion

Star’Ex au foyer direct d’un télescope Newton dans la configuration « 80x80 », et avec un réseau de 300 traits/mm.

Utilisation en haute résolution

Tout comme pour la basse résolution, il vous faut adopter la lentille de 80 mm en lieu et place de la lentille de 125 mm. Il faut en outre ajouter une lentille de Barlow pour fermer le faisceau à f/10 environ à l’intérieur de Star’Ex (indispensable compte tenu de la forte incidence des rayons sur le réseau de 2400 traits/mm). Le schéma type est représenté dans le document suivant :

Vous devez au besoin adapter le modèle de Barlow (son grandissement) en fonction de votre instrument, ou encore jouer sur la distance Barlow - fente pour ajuster ce même grandissement (sans exagérer par rapport au tirage nominal proposé par le fabricant, sous peine de détériorer significativement la qualité image).  Le modèle APM indiqué est intéressent, car il permet un montage compact, alors que la qualité est très bonne (comme les objectifs Sol’Ex/Star’Ex, il utilise un verre spécial pour réduire le chromatisme). 

Montage « très bricolé » de la lentille de Barlow APM grâce à une rondelle faite en impression 3D qui se glisse à l’intérieur d’un coulant de 50 mm. Il permet de respecter la distance de 98 mm (on peut arrondir à 100 mm) entre ma Barlow et la fente (ici vous devez vous adapter au matériel à votre disposition).

L’observation ultraviolette du spectre avec cette configuration offre un  joli résultat, favorisé par l’ouverture interne modérée du faisceau :

Spectre ultraviolet de l’étoile Véga, avec une qualité rarement atteinte avec les spectrographes amateurs, dans la configuration 2400 t/mm, 80 x 80 m et Barlow APN.  

Noter que la configuration décrite affiche une performance équivalente de celle d’un spectrographe Lhires III, pour fixer les idées.

Une question peut se poser : suis-je vraiment obligé de remplacer la lentille de 125 mm par une lentille de 80 mm ? Soyons francs, l’objectif de 125 mm permettra d’obtenir des spectres intéressants, donc oui il est possible de garder ce dernier. Mais les performances seront moins bonnes :

- Couverture spectrale deux fois moins étendue.

- Spectre un peu trop échantillonné pour les étoiles, qui va rendre les rendre plus lourds à manipuler et détériorer la magnitude limite.

- Moins bonne luminosité, ce qui se verra bien si voulez réalisez le spectre de nébuleuses par exemple.

Tout est bien sûr possible, mais considérez que le surcoût de la lentille de 80 mm supplémentaire est marginal par rapport à tout le reste (votre télescope, les divers accessoires qui l’équipent …).

Il est une autre question assez récurrente :  puis-je utiliser une caméra non refroidie, comme une ASI290MM mini pour la prise de vue des spectres. Oui dans l’absolu, mais il ne faut pas trop  rêver car à cause de la montée du bruit thermique avec le temps de pose, vous ne pourrez pas saisir que le spectre d’étoiles bien plus faibles que la magnitude 5 avec un télescope de 200 à 250 mm et ce en haute résolution , ce qui limite les possibilités. A ceci s’ajoutent les erreurs d’étalonnage lié à la non-stabilité de la température du capteur avec le temps. Méfiez-vous des apparences, utiliser une caméra, légère, peu coûteuse, peut apparaître séduisant et une facilité, mais il y a des pièges. Mais comme toujours, il faut expérimenter et si vous n’avez pas d’autres opportunités, foncez malgré tout ! Voyez par exemple l’emploi d’une caméra ASI290MM mini dans une configuration qui exploite le réseau de 2400 traits/mm, la configuration 80x80 et une Barlow APM pour fermer à f/8 le faisceau d’un télescope  Newton de 250 mm ouvert à la base à f/4, tel que cela a été montré ci-devant :

Et quelques résultats obtenus en utilisant dans cette situation une caméra non refroidie. : 

Ce n’est pas si mal, et il y a matière à apprendre, à sentir comment les choses se passent et ce faire plaisir avec un assez petit budget, sans investir fortement au début.

5 : Je possède un télescope de 150 à 300 mm de diamètre ouvert à f/8, f/10, f/12, que faire ?

Utilisation en basse résolution 

J’ai un avis tranché sur le sujet  suivant : un réducteur de focale est un composant optique bourré d’aberrations optiques et tout particulièrement un chromatisme destructeur dès lors que l’on veut couvrir un large domaine spectral en basse résolution spectrale. C’est le même commentaire que pour une lunette. Il faut absolument éviter, à moins d’un cas de d’absolu force majeure. 

Avec un télescope ouvert à f/8 - f/12 (Maksutov, Ritchey-Chrétien, Schmidt-Cassegrain), il est bien préférable de positionner Star’Ex directement au foyer, sans élément intermédiaire, et exploiter la configuration « 80x80 » avec le réseau de 300 traits/mm, décrite à la section précédente. Voici le cheminement des rayons lorsque le télescope est naturellement ouvert à f/8, pour un domaine spectral allant de 3800 à 7000 A :

Imaginons que vous soyez l’heureux possesseur d’un télescope de RC de 300 mm ouvert à f/8. Cette configuration, parfaitement achromatique, va donner un bon spectre, sans vignettage. Mais malheureusement, la longueur focale du télescope est de 2400 mm. Compte tenu de ce qui est dit à la section 3, cela oblige à utiliser une fente de 35 microns de large, et diminuer le pouvoir de résolution à R=600 environ. C’est la contrepartie.

Si votre télescope fait 250 mm de diamètre (et qu’il est ouvert à f/8 ou f/10), le pouvoir de résolution passe à environ R=750, ce qui est approximativement la performance d’un spectrographe Alpy600. Et ainsi de suite : les spectres réalisés avec un Masksutov de 125 mm à 150 mm ouvert à f/8 seront spectaculaires par leurs finesses, mais bien moins intense que ceux obtenus avec un télescope de 300 mm de diamètre. Les grands diamètres ont tout de même un avantage !

Utilisation en haute résolution 

Imaginons que le télescope soit un Celestron 8 ou un Celestron 9.25 (un type de télescope ouvert à f/10). Vous allez sûrement utiliser une fente de 35 microns de large pour vos observations, ce qui va amener pouvoir de résolution Star’Ex à R=12000 environ au niveau de la raie H-alpha (configuration 80x80 et réseau de 2400 t/mm). Le cheminement des rayons dans le spectrographe est alors celui-ci :

Le vignettage est quasi nul, tous les feux sont donc au vert, d’autant que la qualité optique est au rendez-vous et offre une couverture spectrale particulièrement large pour cette catégorie d’instrument. La disposition est parfaite pour, par exemple, la surveillance de l’activité de la raie H-alpha dans un programme tel que celui consacré aux étoiles de type Be.